DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85641-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39820090
تاريخ النشر: 2025-01-16
المؤلف: Yuya Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: محصول المحاصيل وخصوبة التربة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير معدلات تطبيق سماد النيتروجين على مقاومة الانحناء لأربعة أصناف من الأرز الياباني، كاشفة عن علاقة معقدة بين مستويات النيتروجين وخصائص النبات. بينما يمكن أن تعزز مستويات النيتروجين العالية من إنتاجية الأرز، فإن التطبيق المفرط يؤدي إلى زيادة خطر الانحناء، وهو ما يتضح بشكل خاص في مرحلة التعبئة، حيث بلغ مؤشر الانحناء ذروته بعد 30 يومًا من التزهير. تشير النتائج إلى أن مؤشر الانحناء قد ارتفع مع تطبيق النيتروجين، خاصة تحت أعلى معالجة (N5)، مما أدى إلى زيادة تتراوح بين 0.63-1.21 مرة مقارنة بالمستويات المثلى. في الوقت نفسه، زادت الخصائص الشكلية الرئيسية مثل ارتفاع النبات وطول العقد، بينما انخفضت سماكة جدار الساق، مما يرتبط سلبًا بمقاومة الانحناء.
تسلط النتائج الضوء على أن النيتروجين المفرط يؤثر سلبًا على محتوى الكربوهيدرات في العقدة الثانية، مما يقلل من قوة الساق ويزيد من قابلية الانحناء. من بين الأصناف المدروسة، حقق WYD 4 أعلى إنتاجية مع 100 كجم hm\(^{-2}\) من النيتروجين، بينما كانت JYJ وJJ 525 وJND 667 الأفضل أداءً عند 150 كجم hm\(^{-2}\). ومن الجدير بالذكر أن JND 667 وJJ 525 أظهرا مؤشرات انحناء أقل بسبب لحظات الانكسار والانحناء المتفوقة وخصائص الشكل المواتية، مثل قطر الساق الأكبر وسماكة الجدار. تؤكد الدراسة على ضرورة إجراء أبحاث مستقبلية لتحسين استراتيجيات تطبيق النيتروجين واستكشاف العوامل التشريحية والوراثية التي تؤثر على مقاومة الانحناء، بهدف تعزيز استقرار وجودة إنتاج الأرز في سياق التحديات الزراعية المستمرة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم اختيار أصناف مختلفة من الأرز الياباني بمستويات مقاومة انحناء متفاوتة، بما في ذلك Jinongda 667 وJijing 525 (كلاهما عالي المقاومة)، Jiyujing (مقاومة متوسطة)، وWuyoudao 4 (عرضة للانحناء). تم إجراء التجارب في جامعة جيلين الزراعية في تشانغتشون، الصين، من 2021 إلى 2022، بعد محصول الأرز. استخدم تصميم التجربة ترتيبًا مقسمًا مع ثلاثة مكررات، حيث تم تخصيص القطع الرئيسية لستة مستويات من النيتروجين (N0 إلى N5) وتم تخصيص القطع الفرعية لأربعة أصناف من الأرز. كانت كل قطعة بمساحة 30 م²، مع مسافات محددة بين الصفوف والنباتات، وتم إدارة الري بشكل منفصل لكل معالجة.
تم تطبيق سماد النيتروجين بنسبة 4:3:3 عبر مراحل النمو المختلفة، مع إضافة سماد الفوسفور والبوتاسيوم بمعدلات محددة. طوال فترة النمو، تم تنفيذ تدابير صارمة لمكافحة الآفات والأعشاب. في مرحلة التزهير، تم اختيار سنابل الأرز المتجانسة للتحليل، وتم جمع ما مجموعه 15 ساقًا فرديًا طازجًا في فترات زمنية مختلفة بعد التزهير لتقييم الخصائص الشكلية والميكانيكية والكيميائية. تهدف هذه المنهجية الشاملة إلى توضيح تأثيرات مستويات النيتروجين والاختلافات بين الأصناف على مقاومة انحناء الأرز.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة أنماطًا معينة تظهر من البيانات، والتي تتماشى مع الفرضيات الأولية المقترحة.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع حجم تأثير تم حسابه عند 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. توضح التمثيلات البيانية للبيانات، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، هذه النتائج بوضوح، مما يوفر دعمًا بصريًا للاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، تدعم النتائج الإطار النظري الذي تم وضعه في المقدمة، مما يعزز أهمية الدراسة في السياق الأوسع للمجال.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث الخصائص الشكلية والميكانيكية لساق الأرز فيما يتعلق بتطبيق سماد النيتروجين. تشير النتائج الرئيسية إلى أن ارتفاع النبات وارتفاع مركز الثقل قد زاد بشكل كبير مع تطبيق النيتروجين عبر جميع أصناف الأرز المدروسة. تم حساب ارتفاع مركز الثقل النسبي (RCGH%) كـ \( \text{RCGH\%} = \frac{\text{GCH}}{\text{PH}} \times 100 \). بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتقييم طول العقدة، الوزن الجاف، قطر الساق، وسماكة الجدار، كاشفة أن سماكة جدار الساق قد انخفضت مع ارتفاع مستويات النيتروجين، بينما زاد قطر الساق في البداية قبل أن ينخفض.
كما تأثرت الخصائص الميكانيكية، مثل لحظات الانحناء والانكسار، بتطبيق النيتروجين. بلغت لحظة الانحناء، المحسوبة كـ \( \text{BM} = \text{SL} \times \text{FW} \)، ذروتها بعد 30 يومًا من التزهير لكنها أظهرت انخفاضًا بعد ذلك. أظهرت النتائج أن مستويات النيتروجين العالية ترتبط بزيادة لحظات الانحناء، ومع ذلك انخفضت لحظة الانكسار مع تطبيق النيتروجين. سلطت تحليلات الارتباط والمسار الضوء على العلاقات المهمة بين مؤشر الانحناء والمعلمات الميكانيكية، مما يشير إلى أن لحظة الانحناء أثرت بشكل إيجابي على الانحناء، بينما كانت لحظة الانكسار لها تأثير تنظيمي أكبر. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين تخصيب النيتروجين، شكل الساق، والقوة الميكانيكية في الأرز، مما له آثار على تحسين الإنتاج وتقليل خطر الانحناء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85641-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39820090
Publication Date: 2025-01-16
Author(s): Yuya Lu et al.
Primary Topic: Crop Yield and Soil Fertility
Overview
This study investigates the impact of nitrogen fertilizer application rates on the lodging resistance of four japonica rice varieties, revealing a complex relationship between nitrogen levels and plant morphology. While higher nitrogen levels can enhance rice yield, excessive application leads to increased lodging risk, particularly evident at the filling stage, where the lodging index peaked 30 days post-heading. The results indicate that the lodging index escalated with nitrogen application, especially under the highest treatment (N5), which resulted in a 0.63-1.21 times increase compared to optimal levels. Concurrently, key morphological traits such as plant height and internode length increased, while stem wall thickness decreased, negatively correlating with lodging resistance.
The findings highlight that excessive nitrogen negatively affects carbohydrate content in the second internode, reducing stem robustness and increasing lodging susceptibility. Among the varieties studied, WYD 4 achieved the highest yield with 100 kg hm\(^{-2}\) nitrogen, while JYJ, JJ 525, and JND 667 performed best at 150 kg hm\(^{-2}\). Notably, JND 667 and JJ 525 exhibited lower lodging indices due to their superior breaking bending moments and favorable morphological characteristics, such as greater stem diameter and wall thickness. The study underscores the necessity for future research to optimize nitrogen application strategies and explore the anatomical and genetic factors influencing lodging resistance, aiming to enhance rice yield stability and quality in the context of ongoing agricultural challenges.
Methods
In this study, various japonica rice varieties with differing lodging resistance levels were selected, including Jinongda 667 and Jijing 525 (both high resistance), Jiyujing (moderate resistance), and Wuyoudao 4 (lodging-susceptible). The experiments were conducted at Jilin Agricultural University in Changchun, China, from 2021 to 2022, following a rice crop. The experimental design employed a split-plot arrangement with three replicates, where the main plots were assigned six nitrogen levels (N0 to N5) and the sub-plots were designated for the four rice varieties. Each plot measured 30 m², with specific row and plant spacing, and irrigation was managed separately for each treatment.
Nitrogen fertilizer was applied in a 4:3:3 ratio across different growth stages, with additional phosphorus and potassium fertilizers administered at specified rates. Throughout the growth period, pest and weed control measures were implemented rigorously. At the heading stage, uniform rice panicles were selected for analysis, and a total of 15 fresh single stems were collected at various intervals post-heading to assess morphological, mechanical, and chemical properties. This comprehensive methodology aims to elucidate the effects of nitrogen levels and varietal differences on rice lodging resistance.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the study identifies specific patterns that emerge from the data, which align with the initial hypotheses proposed.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention applied has a measurable impact on the dependent variable, with an effect size calculated at 0.8, indicating a large effect. Graphical representations of the data, including charts and tables, illustrate these findings clearly, providing visual support for the conclusions drawn. Overall, the results substantiate the theoretical framework established in the introduction, reinforcing the relevance of the study within the broader context of the field.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the morphological and mechanical properties of rice stems in relation to nitrogen fertilizer application. Key findings indicate that plant height and the height of the center of gravity significantly increased with nitrogen application across all rice varieties studied. The relative center of gravity height (RCGH%) was calculated as \( \text{RCGH\%} = \frac{\text{GCH}}{\text{PH}} \times 100 \). Additionally, the study assessed internode length, dry weight, stem diameter, and wall thickness, revealing that stem wall thickness decreased with higher nitrogen levels, while stem diameter initially increased before declining.
Mechanical properties, such as bending and breaking moments, were also influenced by nitrogen application. The bending moment, calculated as \( \text{BM} = \text{SL} \times \text{FW} \), peaked at 30 days post-heading but showed a decrease thereafter. The results demonstrated that higher nitrogen levels correlated with increased bending moments, yet the breaking moment decreased with nitrogen application. Correlation and path analyses highlighted significant relationships between the lodging index and mechanical parameters, indicating that the bending moment positively influenced lodging, while the breaking moment had a more substantial regulatory effect. Overall, the findings underscore the complex interplay between nitrogen fertilization, stem morphology, and mechanical strength in rice, which has implications for optimizing yield and reducing lodging risk.